3.4蛋白质工程的原理和应用课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

细菌的发现者列文虎克也一定想象不到，后人会用他们创造出超乎想象的艺术作品。2014年圣诞节，一位法国大学生的画作燃爆网络，他将细菌种植在琼脂培养基上，微生生物生长蔓延，形成了一幅白雪皑皑的圣诞图景。美国微生物学会受此启发，开始举办起了琼脂艺术大赛。大赛吸引了来自全世界的琼脂培养爱好者，参赛作品的主皮也各式各样，有海平面上的日落，有散发荧光的绿树，甚至还有3D形态的富士山。科学与艺术的深度碰撞，不禁让人感叹科学家们的想象力与浪漫情怀。 第三章第四节 蛋白质工程的原理和应用 本节聚焦: 1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.简述蛋白质工程的基本原理。 从社会中来——用细菌作画 从社会中来 右图是用发出不同颜色荧光的细菌“画”的美妙图案。这些细菌能够发出荧光,是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白,科学家通过改造它,获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。那么,科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢? 对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的! 一、蛋白质工程概述 1.蛋白质工程的概念: 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础,通过改造或合成基因,来改造现有蛋白质,或制造一种新的蛋白质,以满足人类生产和生活的需求。 2.基础: 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础 3.操作方法及对象: 改造或合成基因 4.结果: 改造现有蛋白质,或制造一种新的蛋白质 5.目的: 满足人类生产和生活的需求 一、蛋白质工程概述 6.与基因工程的关系: 它是在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基 因工程,是涉及多学科的综合科技工程。 7.相关学科及技术: 分子生物学、晶体学以及计算机技术 8.前景:目前,它已成为研究蛋白质结构和功能的重要手段,并将广泛应用于农业、医药工业和其他工业生产中。 9.困难:蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构,而蛋白质的高级结构十分复杂。 二、蛋白质工程崛起缘由 1.基因工程的实质及不足 ①实质:基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内,使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质,进而表现出新性状。 ②不足:基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。 苏云金芽孢杆菌 产生 Bt基因 表达 伴胞晶体蛋白 (Bt抗虫蛋白) 破坏鳞翅目昆虫的消化系统 杀死棉铃虫 导入 目的基因 核DNA 培育 抗虫棉 天然蛋白质是生物长期进化过程中形成的,它们的结构和功能符合特定物种生存的需要,却不一定完全符合人类生产和生活的需要。 二、蛋白质工程崛起缘由 调控 赖氨酸 天冬氨酸激酶+二氢吡啶二羧酸合成酶 实例:提高玉米赖氨酸含量 (含量低) 含量升高 达到一定浓度 抑制 苏氨酸(352位) 异亮氨酸 天冬酰胺(104位) 赖氨酸产量提高(叶片提高5倍,种子2倍) 三、蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程的概念: 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础,通过改造或合成基因,来改造现有蛋白质,或制造一种新的蛋白质,以满足人类生产和生活的需求。 1.蛋白质工程的目标: 根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质的结构进行设计改造。 思考:为什么蛋白质工程需改造基因而不是直接改造蛋白质? (1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的,改造了基因即对蛋白质进行了改造,而且可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造,即使改造成功,被改造的蛋白质也是无法遗传的。 (2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作,难度要小得多。 三、蛋白质工程的基本原理 2.天然蛋白质合成过程: 按照中心法则进行 基因 转录 mRNA 翻译 形成具有特定氨基酸序列的多肽链 形成具有高级结构的蛋白质 行使生物功能 三、蛋白质工程的基本原理 3.蛋白质工程的基本思路: 逆中心法则,与天然蛋白质合成的过程相反 从预期的蛋白质功能出发 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因 获得所需要的蛋白质。 思考 讨论 蛋白质工程基本思路的应用 某多肽链的一段氨基酸序列是: 讨论1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列?请把相应的碱基序列写出来。 查密码子表得知:丙氨酸(GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG)、谷氨酸(GAA、GAG)、苯丙氨酸(UUU、UUC) mRNA序列为: GCU(或C或A或G)UGG AAA(或G)GAA(或G)UUU(或C) DNA序列为: CGA(或G或T或C)ACC TTT(或C)CTT(或C)AAA(或G) GCT(或C或A或G)TGG AAA(或G)GAA(或G)TTT(或C) 思考 讨论 蛋白质工程基本思路的应用 某多肽链的一段氨基酸序列是: 讨论2.确定目的基因的碱基序列后,怎样才能合成或改造目的基因? 确定目的基因的碱基序列后,可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。 据氨基酸的性质和特点,设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质。 大改: 在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。 中改: 利用基因工程中的定点诱变技术,改造蛋白质分子某活性部位的一个或几个氨基酸残基 小改: 延伸:蛋白质工程和基因工程的比较 项目 蛋白质工程 基因工程 操作对象 操作起点 操作水平 操作流程 结果 实质 基因 基因 预期的蛋白质功能 目的基因 DNA分子水平 DNA分子水平 预期蛋白质功能 设计蛋白质结构 推测氨基酸序列 找到并改变对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新基因 获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取 构建基因表达载体 将目的基因导入受体细胞 目的基因的检测与鉴定 可生产自然界没有的蛋白质 生产自然界已有的蛋白质 通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质 将一种生物的基因转移到另一种生物体内,后者可以产生它本不能产生的蛋白质,进而表现出新的性状 延伸:如何辨别一个操作是蛋白质工程还是基因工程? 四、蛋白质工程的应用 1.医药工业方面 (1)研发速效胰岛素类似物 天然胰岛素易形成二聚体或六聚体 预期功能 降低胰岛素的聚合作用 设计结构 改变B链第20~29位氨基酸组成 推测序列 B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置 改造 新胰岛素基因 转录 mRNA 翻译 多肽链 折叠 预期结构 行使功能 有效抑制胰岛素的聚合 速效胰岛素 四、蛋白质工程的应用 1.医药工业方面 干扰素在体外保存相当困难 将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸 在-70 下干扰素可保存半年 天然干扰素 (体外保存困难) 半胱氨酸 丝氨酸 改造后的干扰素 (-70 可保存半年) (2)延长干扰素体外保存时间 四、蛋白质工程的应用 1.医药工业方面 医学问题:小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫 反应,从而导致治疗效果大大降低。 解决办法: 通过改造基因,将小鼠抗体上结合抗 原的区域(即可变区)“嫁接”到人的 抗体(即恒定区)上,经过这样改造 的抗体诱发免疫反应的强度就会减低 很多。 (3).改造抗体 四、蛋白质工程的应用 2. 在其他工业方面 如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体,筛选出符合工业化生产需求的突变体,提高该酶的使用价值。 (1)改进酶的性能或开发新的工业用酶 枯草杆菌 枯草杆菌蛋白酶 四、蛋白质工程的应用 3、农业方面 科学家正在尝试改造某些参与调 控光合作用的酶,以提高植物光合 作用的效率,增加粮食的产量。 ①改造某些参与调控光合作用的酶 四、蛋白质工程的应用 3、农业方面 伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药 (2)设计优良微生物农药,通过改造微生物蛋白质的结构,使它防治病虫害的效果增强。 五、蛋白质工程面临的困难: 蛋白质工程是一项难度很大的工程,主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构,而这种高级结构往往十分复杂。要设计出更加符合人类需要的蛋白质,还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展,蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。 由计算机建立的血红蛋白三维结构模型 三 级 结 构 一 级 结 构 四 级 结 构 二 级 结 构 一级结构 二级结构 三级结构 四级结构 本章小结 拓展:人类蛋白质组计划 你知道人类蛋白质组计划吗?它与蛋白质工程有什么关系?我国科学家承担了什么任务? 拓展:人类蛋白质组计划 人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后,生命科学乃至自然科学领域重大的国际合作科研项目。2001年,国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年,该组织正式提出启动两项重大国际合作项目:一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”;另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”,由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。 “人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划,由我国贺福初院士牵头,这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划。它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究,解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意义,为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发提供重要的科学依据。人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展,为它提供了重要的理论支持。2014年6月,中国人类蛋白质组计划启动。 1.下列各项与蛋白质工程没有直接关系的是( ) A.利用各种高科技手段分析蛋白质的分子结构 B.研究并改变某种蛋白质相关基因的碱基序列 C.设计和制造自然界中没有的人工蛋白质 D.将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶 D 解析:将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶是基因工程的成果,与蛋白质工程没有直接关系,D符合题意。 课堂练习 2.蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的,它最终要达到的目的是( ) A.分析蛋白质的三维结构 B.研究蛋白质的氨基酸组成 C.获取编码蛋白质的基因序列信息 D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质 D 课堂练习 解析:分析蛋白质的三维结构是蛋白质工程的准备工作,与题意不符,A错误;研究蛋白质的氨基酸组成是为了设计或改造相关基因,这不是蛋白质工程的最终目的,B错误;获取编码蛋白质的基因序列信息可以实现对基因的修饰或合成,但不是蛋白质工程要达到的最终目的,C错误;改造现有蛋白质或制造新的蛋白质,从而满足人类的需求,这是蛋白质工程的最终目的,D正确。 课堂练习 3.科研人员利用相关技术改变了胰岛素B链的第9位氨基酸,从而避免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述不正确的是( ) A.对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程 B.可通过测定DNA的序列确定突变是否成功 C.该过程的操作对象是胰岛素相关基因 D.胰岛素适合口服使用 D 课堂练习 解析:胰岛素是蛋白质,对蛋白质结构的改造属于蛋白质工程,A正确;DNA中碱基的排列顺序代表遗传信息,因而可通过测定DNA的序列确定突变是否成功,B正确;蛋白质工程的直接操作对象是基因,而不是蛋白质,C正确;胰岛素为蛋白质,若口服会被消化酶分解,因此胰岛素不适合口服,D错误。 课堂练习 4.下列关于蛋白质工程说法不正确的是( ) A.蛋白质工程的设计与实施遵循中心法则 B.蛋白质工程可对酶的反应物专一性、热变性、碱变性等加以改变 C.原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质,而这种蛋白质完全符合人们生产和生活的需要 D.蛋白质工程在农业方面可以增加粮食产量、研发新型农药 C 课堂练习 解析:蛋白质工程的设计与实施遵循中心法则,A正确;可以通过蛋白质工程修饰相应的基因改变酶的反应物专一性、热变性、碱变性等,B正确;蛋白质工程可以生产自然界中已存在的蛋白质,也可以生产自然界中不存在的蛋白质,C错误;蛋白质工程在农业方面可以增加粮食产量、研发新型农药,D正确。 课堂练习 5.已知生物体内有一种蛋白质(P),该蛋白质是一种转运蛋白,由305个氨基酸组成。如果将P分子中第158位的丝氨酸变成亮氨酸,第240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸,改变后的蛋白质(P1)不但保留了P的功能,而且具有了酶的催化活性。回答下列问题。 课堂练习 (1)从上述资料可知,若要改变蛋白质的功能,可以考虑对蛋白质的_进行改造。 (2)以P基因序列为基础,获得P1基因的途径有修饰_基因或合成_基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的,中心法则的全部内容包括_的复制以及遗传信息在不同分子之间的流动。 (3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程,其基本途径是从预期蛋白质功能出发,通过_和_,进而确定相对应的脱氧核苷酸序列,据此获得基因,再经表达、纯化获得蛋白质,之后还需要对蛋白质的_进行鉴定。 氨基酸序列 P P1 DNA和RNA 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 生物功能 课堂练习 解析:(1)从上述资料可知,若要改变蛋白质的功能,可以考虑对蛋白质的氨基酸序列进行改造。 (2)以P基因序列为基础,获得P1基因的途径有修饰P基因或合成P1基因。所获得的基因表达时遵循中心法则,中心法则的全部内容包括DNA和RNA的复制以及遗传信息在不同分子之间的流动。 (3)蛋白质工程的过程为:预期蛋白质的功能 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 找到并改变对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因 获得所需要的蛋白质。据此获得基因,再经表达、纯化获得蛋白质,之后还需要对蛋白质的生物功能进行鉴定。 课堂练习 Lavf57.62.100 人类蛋白质组计划 jasmine $$在2001年2002年，当时在运筹人类蛋白质组计划的时候，然后我用了一个词叫做VIP。什么意思？就是英文当中叫做very important proto，就是非常重要的蛋白质组。我想我们在座的听众可能认识到，我这话不是空说的。也正因为如此，所以人类应该启动一个在建筑计划之后的人类蛋白质组计划。确实在2001年基本上进入草图完成。然后2002年的二月在自然杂志和科学杂志发表了基因组的草图，然后就在那一月人类成立了另外一个组织，叫人类蛋白质组，组织叫做后面protest organization，简称叫做OPPO。然后在hoo的支持之下，启动了人类单位自主计划的启动计划。一个是血液的血浆的蛋白质组计划，由美国人牵头。另外一个第一个器官的蛋白质组计划就是肝脏计划。非常信由中国牵头，由我作为这个主席。在这个过程当中，我们首创了整个人类蛋白制作计划的科学目标和发展蓝图，并且直接领导了首个器官的肝脏计划。然后我们也提出了这个肝脏计就是蛋白整个蛋白质组计划的中国方案，然后我们简称叫太阳系。刚才我们提到牛顿力学的集大成，就是把天体当中的规律，科普勒的几大定律和家里边的地面上的物体运动的极大规律极大成，这应该是牛顿力学的集大成。那么在太阳系当中的所有的行星都能用精确的数学方式来描述，这应该说是人类理性的极大成功。所以我们说太阳系当中的行星能够被精确的数学方程标定，这是人类理性的最高的辉煌。所以我说我们蛋白质组计划推行，我说人类肝脏蛋白质组计划的追求目标应该向物理世界，像物质世界的牛顿定律那样，我们追求一种理性的高度的发展。所以我借用了这个太阳系来表述我们在这过程当中的所要完成的一些主要目标和主要任务。当然一四那天人类基因组就要做三个图，当时我们提出的应该是两浦两图三库。这个应该说当时都在国际上。我们首先提出来的为了推行这样一个国际的计划，为更好的实施这个领导。然后我们在拿到了领衔这个计划的领导权之后，相继创建了中国的组织，叫做中国的人类蛋白质组，叫c hope。在一南一北建立了两个科学基地，就是北京蛋白质组研究中心和复旦大学的生物学研究院来形成两大基地。当时我们做好了最坏的准备，就是在全世界一旦不跟着我们走的时候，我们能够利用这南北两大科学的基地，能够独立的承担和完成肝脏蛋白质组计划。当然如果全世界愿意跟着我们的话，那这两大重镇也是两大先锋。所以我们迅速的组建了这两大基地，建成了这两大基地。北京的基地建成之后，被国际组织迅速的指定为国际执行总部。然而在这个计划的推进当中，我们始终牢记第一个要完成基因组计划所没有完成的使命，就是人类基础计划。测了这个序列，测完之后，这个人类就是六国的这个计划是叫HGP人类基因组计划。预测了两万多个基因，蛋白质的编码基因，是二个公司，完成了草图的绘制，也预测了两万多个基因，但是这两者之间的交叉率很低。也就是说人类对基因组序列测定之后，对于他所要编码的蛋白质究竟是哪些，哪些是真正的自编码，哪些是错的这是全然不知的。所以我们做了这肝脏蛋白质组计划，首当其冲的回答这个问题。然后在这个回答当中，我们首先看到在完成了这个计划之后，2分之1以上的蛋白质是过去人类从未在肝脏当中发现的。这个我想是在预料当中的。但是有一个是在预料之外的，就是大概有4分之1左右的蛋白质是被基因所预测，但是过去从来没有证据支持的。而我们在蛋白质水平上一个一个的证明这些基因是实实在在存在的。当然就是还有一部分基因是不存在的。